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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung, die ein Array aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Mikrofluidische Analysesysteme, die auch als Lab-on-Chip Systeme bezeichnet werden, erlauben ein automatisiertes Prozessieren chemischer oder biologischer Substanzen für die medizinische Diagnostik. Hierzu weisen sie häufig ein Array auf, in das mehrere sacklochförmige Vertiefungen geätzt sind. In diesen Vertiefungen werden eingetrocknete Reagenzien vorgelagert.
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Durch einen Zulaufkanal der zunächst in einer tieferen Ebene als das Array verläuft und dann auf die Höhe des Arrays umgelenkt wird, wird eine Reaktionsflüssigkeit zu dem Array gepumpt, sodass sie es überspült. Die Vertiefungen, die auch als Wells bezeichnet werden, werden auf diese Weise befüllt. Anschließend können die Vertiefungen mittels einer Versiegelungsflüssigkeit gegeneinander isoliert werden. Dies wird beispielsweise in der
DE 10 2018 204 624 A1 beschrieben. Nach dem Einbringen der Versiegelungsflüssigkeit laufen in den Vertiefungen chemische Reaktionen zwischen der Reaktionsflüssigkeit und den dort vorgelagerten Reagenzien ab. Die Kammer, in der das Array angeordnet ist, ist optisch zugänglich, sodass die Ergebnisse der Reaktionen mittels eines optischen Sensors ausgewertet werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die mikrofluidische Vorrichtung weist eine Zulaufleitung auf, die in einer Arraykammer mündet. In der Arraykammer ist ein Array angeordnet. Unter einem Array wird ein Element verstanden, welches als Probenträger fungieren kann und an seiner Oberseite mehrere sacklochförmige Vertiefungen aufweist. In den Vertiefungen sind insbesondere Reagenzien angeordnet. Das Array besteht insbesondere aus Silizium.
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Das Array weist eine definierte Übertrittsstelle auf, die im Bereich der Zulaufleitung angeordnet ist. Unter „definiert“ wird hierbei verstanden, dass die Übertrittsstelle sich von benachbarten Bereichen des Arrays unterscheidet. Diese Übertrittsstelle fungiert als Staupunkt für ein Fluid, insbesondere eine Reaktionsflüssigkeit, welches durch die Zulaufleitung in die Arraykammer eingeleitet wird. Diese definierte Übertrittsstelle sorgt dafür, dass ein Fluid, welches durch die Zulaufleitung in die Arraykammer einströmt, nahe an der Mündung der Zulaufleitung auf die Oberfläche des Arrays übertritt und sich von dort aus gleichmäßig über das Array ausbreitet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Befüllung der Vertiefungen auf reproduzierbare und kontrollierte Weise erfolgt. Insbesondere wird verhindert, dass es zwischen den einzelnen Vertiefungen zu sogenanntem Quersprechen kommt. Als Quersprechen wird das Phänomen bezeichnet, bei dem durch Querströmungen Reagenzien aus den Vertiefungen in benachbarte Vertiefungen transportiert werden. Nur durch das Verhindern des Quersprechens kann sichergestellt werden, dass chemische Reaktionen in den Vertiefungen reproduzierbar und mit hinreichender Ausbeute ablaufen.
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Entscheidend für die Befüllung der Vertiefungen ist das definierte Fortschreiten der Grenzfläche zwischen Luft und einem Reaktionsgemisch auf dem Array oder zweier sich unterscheidender und nacheinander einströmenden Fluide. Dieses Fortschreiten wird maßgeblich von geometrischen Maßabweichungen und lokalen Oberflächeneigenschaften des Arrays sowie von Eigenschaften der Anströmung des Arrays beeinflusst. Diese können zu unvorhergesehenen Schwankungen in der Bewegung der Grenzfläche führen und damit Querbewegungen auslösen. Zusätzlich kann es beispielsweise zu einer verstärkten Benetzung entlang der Mittelachse des Arrays und/oder zu einer verstärkten seitlichen Benetzung kommen, wodurch die Gefahr von Lufteinschlüssen in angrenzenden Ecken der Arraykammer sowie einer unvollständigen Benetzung des Arrays besteht. Die kantenförmige Übertrittsstelle stellt ein definiertes Fortschreiten der Grenzfläche sicher.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung ist die Übertrittsstelle eine Ecke des Arrays. Während Arraykammern üblicherweise so ausgeführt sind, dass eine Längsseite des Arrays der Zulaufleitung zugewandt ist, kann diese Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung dadurch realisiert wird, dass die Arraykammer der Zulaufleitung eine ihrer Ecken zuwendet, sodass auch das darin angeordnete Array eine seiner Ecken der Zulaufleitung zuwendet. Im Falle einer quadratischen Form der Arraykammer und einer quadratischen Form des Arrays bedeutet dies, dass die Arraykammer und das Array gegenüber einer herkömmlichen Anordnung relativ zur Zulaufleitung um 45° gedreht sind. Der Eckwinkel der Übertrittsstelle beträgt insbesondere 90°.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung ist die Übertrittsstelle als mindestens eine Kerbe in einer Oberseite des Arrays ausgeführt. Die Kerbe weist insbesondere einen halbkreisförmigen, dreieckigen oder viereckigen Querschnitt auf. Eine solche Kerbe kann als Strömungsleitkerbe bzw. Phaseguide dienen, um die fluide Phase an der Übertrittsstelle auf das Array zu lenken. Dadurch ist es möglich, eine Übertrittsstelle auch dann zu realisieren, wenn in herkömmlicher Weise eine Längsseite des Arrays der Zulaufleitung zugewandt ist. Die Kerbe verläuft insbesondere parallel zur Längsachse der Zulaufleitung. Sie unterstützt den Übertritt der fluiden Phase insbesondere durch einen kapillaren Druck.
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Auch wenn die Übertrittsstelle grundsätzlich mittels einer einzigen Kerbe realisiert werden könnte, ist es bevorzugt, dass mehrere parallele Kerben vorgesehen sind. Besonders bevorzugt sind diese parallelen Kerben über einen Bereich verteilt, dessen Breite einer Breite der Zulaufleitung entspricht.
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Die Länge einer Arraykammer entspricht üblicherweise 105 - 110 % der Länge des Arrays und die Breite der Arraykammer entspricht üblicherweise 105 - 110 % der Breite des Arrays. Da es sich bei dem Array um ein Einlegeteil handelt, das von den Wänden der Arraykammer beabstandet in diese eingelegt wird, bildet sich ein Kanal um das Array herum aus, welcher von einem durch die Zulaufleitung in die Arraykammer einströmenden Fluid gefüllt wird. Es ist dann nicht vorhersehbar, an welcher Stelle die fluidische Grenzfläche über den Rand des Arrays treten wird. Deshalb ist es bevorzugt, dass der Zwischenraum zwischen dem Array und den Seitenwänden der Arraykammer bis zu einer Oberseite des Arrays mit einem Füllmaterial gefüllt ist. Dieses Füllmaterial verhindert, dass sich das Fluid in dem Zwischenraum ausbreitet und das Array umspült. Stattdessen trifft es sofort auf der Höhe der Oberseite des Arrays auf das Array und kann an der Übertrittsstelle in der vorgesehenen Weise über die Arrayoberfläche gelenkt werden.
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Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Füllmaterial um einen Kleber. Damit kann das Füllmaterial eine Doppelfunktion erfüllen, indem es nicht es nicht nur den Zwischenraum füllt, sondern zusätzlich das Array an seiner Position fixiert.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Unterseite der Zulaufleitung sich in derselben Ebene befindet, wie eine Oberseite des Arrays. Dies hat den Vorteil, dass an der Mündung der Zulaufleitung in die Arraykammer keine Änderung der Strömungsrichtung des Fluids erfolgt, sodass ein Ausweichen des Fluids an der Übertrittsstelle vorbei verhindert wird.
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Bei der mikrofluidischen Vorrichtung handelt es sich insbesondere um eine Kartusche, die dazu vorgesehen ist, um in ein mikrofluidisches Analysesystem eingesetzt zu werden. In einer solchen Kartusche sind Reagenzien vorgelagert und eine Probenflüssigkeit wird in die Kartusche eingeführt. Nach Durchführen chemischer Reaktionen und einer Analyse des Reaktionsergebnisses kann die Kartusche als Einmalartikel entsorgt werden, während andere Komponenten der Analysevorrichtung, wie beispielsweise ein optischer Sensor, wiederverwendet werden. Hierzu weist die Arraykammer oberhalb der Oberseite des Arrays insbesondere ein transparentes Fenster auf, durch welches die Inhalte der Vertiefungen mittels optischer Methoden analysiert werden können.
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Eine derartige Kartusche weist insbesondere eine Fluidikschicht, eine Elastomermembran und eine Pneumatikschicht auf. Unter der Fluidikschicht wird dabei eine Schicht verstanden, in der ein Fluidkanalsystem zum Transportieren von Reagenzien und Probenflüssigkeiten in einem Substrat ausgebildet ist und in der die Arraykammer angeordnet ist. Die Fluidikschicht wird durch die Elastomermembran von der Pneumatikschicht getrennt. In der Pneumatikschicht verlaufen Pneumatikkanäle, die an die Elastomermembran münden. Durch Anlegen eines Überdrucks an die Pneumatikkanäle kann die Elastomermembran in die Fluidikschicht hinein ausgelenkt werden und durch Anlegen eines Unterdrucks an die Pneumatikkanäle kann die Elastomermembran in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt werden.
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Insbesondere ist die mikrofluidische Vorrichtung zur Durchführung einer Amplifikationsreaktion, wie beispielsweise einer PCR-Reaktion oder einer rITA-Reaktion eingerichtet. Die Einrichtung erfolgt durch das Vorlegen von für die Amplifikationsreaktion benötigte Reagenzien.
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In dem Verfahren zum Betreiben der mikrofluidischen Vorrichtung wird ein Fluid an der Übertrittsstelle von der Zulaufleitung auf das Array geleitet. Vorzugsweise wird die Übertrittsstelle von dem Fluid symmetrisch angeströmt. Wenn die Übertrittstelle als Ecke ausgeführt ist, dann bedeutet dies, dass eine Winkelhalbierende der Ecke insbesondere parallel zu einer Strömungsrichtung des Fluids verläuft. Wenn die Übertrittstelle mindestens eine Kerbe aufweist, dann verläuft die Kerbe insbesondere parallel zu der Strömungsrichtung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1a zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
- 1b zeigt eine Querschnittsansicht der Arraykammer gemäß 1a.
- 2a zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2b zeigt eine Querschnittsansicht der Arraykammer gemäß 2b.
- 3a zeigt eine Aufsicht auf eine Arraykammer einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3b zeigt eine Querschnittsansicht der Arraykammer gemäß 3a.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Eine mikrofluidische Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik kann als mikrofluidische Einwegkartusche ausgeführt sein. Ihre Arraykammer ist in den 1a und 1b dargestellt. Eine Zuleitung 11 mit einer Unterseite 12 ist dazu vorgesehen, um ein Fluid entlang einer Strömungsrichtung 13 in die Arraykammer 14 einzuleiten. In der Arraykammer 14 ist ein Array 20 angeordnet, welches beispielsweise als Silizium-Chip mit mehreren Vertiefungen in seiner Oberseite 21 ausgeführt ist. Ein Zwischenraum 15 verläuft zwischen dem Array 20 und den Seitenwänden der Arraykammer 14. Die Unterseite 12 der Zulaufleitung 11 ist niedriger positioniert als die Unterseite der Arraykammer 14. An der Mündung der Zulaufleitung 11 in die Arraykammer 14 findet daher eine stufenförmige Umleitung statt. Gegenüber der Mündung der Zulaufleitung 11 in die Arraykammer 14, mündet eine Ablaufleitung 16 in die Arraykammer 14. Die Oberfläche 21 des Arrays 20 ist quadratisch. Sowohl die Mündung der Zulaufleitung 11 als auch die Mündung der Ablaufleitung 16 ist jeweils der Mitte einer der Seiten des Arrays 20 zugewandt. Ein Fluid, das entlang der Strömungsrichtung 13 durch die Zulaufleitung 11 in die Arraykammer 14 einströmt, befüllt zunächst den Zwischenraum 15 und überspült dann die Oberseite 21 des Arrays 20. Ein Teil des Fluids sammelt sich dabei in den nicht dargestellten Vertiefungen im Array 20. Das restliche Fluid strömt durch die Ablaufleitung 16 aus der Arraykammer 14 ab.
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Die 2a und 2b zeigen die Zulaufleitung 11, die Arraykammer 14 und die Ablaufleitung 16 einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik, weist die Zulaufleitung 11 keine stufenförmige Umleitung auf. Stattdessen ist sie so angeordnet, dass ihre Unterseite 12 in derselben Ebene liegt, wie die Oberseite 21 des Arrays 20. Außerdem sind die Arraykammer 14 und das Array 20 im Vergleich zu der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik um 45° gedreht. Das Array 20 wendet dadurch eine seiner Ecken 22 der Zulaufleitung 11 zu. Diese Ecke 22 fungiert als kantenförmige Übertrittsstelle an der ein durch die Zulaufleitung 11 einströmendes Fluid gestaut wird. Ein Eckwinkel α dieser Ecke 22, die als definierte Übertrittsstelle fungiert, beträgt 90°. Der Zwischenraum 15 ist bis zur Höhe der Oberseite 21 des Arrays 20 mit einem Kleber 30 befüllt. Anders als in der mikrofluidischen Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik breitet sich das aus der Zulaufleitung 11 einströmende Fluid deshalb nicht zunächst im Zwischenraum 15 aus, sondern trifft direkt auf die Ecke 22, an der es gestaut wird, um sich dann gleichmäßig über die Oberseite 21 des Arrays 20 auszubreiten und diese zu überspülen. Ein Ablaufen von Fluid, welches sich nicht in den nichtdargestellten Vertiefungen des Arrays 20 sammelt, erfolgt wie im Stand der Technik über die Ablaufleitung 16.
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Die Zulaufleitung 11, die Arraykammer 14 und die Ablaufleitung 12 einer mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 3a und 3b dargestellt. Wie im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, ist die Zulaufleitung 11 so ausgeführt, dass ihre Unterseite 12 in derselben Ebene wie die Oberseite 21 des Arrays 20 liegt. Der Zwischenraum 15 ist genau so wie im ersten Ausführungsbeispiel mit einem Kleber 30 gefüllt. Die Arraykammer 14 und das Array 20 sind allerdings in der gleichen Weise wie in der mikrofluidischen Vorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik so angeordnet, dass nicht eine Ecke 22, sondern eine Seite des Arrays 20 der Zulaufleitung 11 zugewandt ist. Vier parallele Kerben 23, die beispielsweise einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen, sind parallel zur Längsachse L der Zulaufleitung 11 in der Oberseite 21 des Arrays 20 ausgebildet. Diese sind so angeordnet, dass sie unmittelbar an der der Zulaufleitung 11 zugewandten Seite des Arrays 20 beginnen. Die beiden äußeren Kerben 23 stellen jeweils eine Verlängerung einer Seitenwand der Zulaufleitung 11 dar. Die beiden weiteren Kerben 23 sind so zwischen diesen beiden äußeren Kerben 23 angeordnet, dass alle benachbarten Kerben 23 jeweils einen gleichen Abstand aufweisen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt dieser Abstand 100 µm. Die Länge der Kerben beträgt jeweils 25 µm und ihre Tiefe beträgt jeweils 25 µm. Die vier Kerben 23 bilden gemeinsam eine kantenförmige Übertrittsstelle, an der ein einströmendes Fluid gestaut wird, bevor es auf das Array 20 übertritt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018204624 A1 [0003]
